0 引言

    高頻化,、大功率化和集成化是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)不斷發(fā)展的方向^[1]。功率和集成度的增加使得IGBT所承受的功率密度不斷升高,，同時隨著技術的不斷發(fā)展IGBT工作的頻率也不斷增大,，這些都使器件的發(fā)熱問題愈加嚴重。IGBT各層材料的厚度,、熱膨脹系數(shù),、熱導率、熱阻值和熱容值各不相同,，在溫度梯度與熱應力的反復沖擊下,，焊料層之間產(chǎn)生的剪切應力導致薄弱處將逐漸產(chǎn)生細微的裂紋。裂紋的不斷增加會減小硅芯片熱量傳導和焊料層的有效傳熱面積,，導致其平均溫度升高,，加速空洞的產(chǎn)生和封裝熱阻的增加^[2]。風電系統(tǒng)的運行過程中,，服役期內運行周期T_o(in operation)和維修周期T_m(in maintaining)交替出現(xiàn),。如果能在維修周期中對模塊的特性進行檢測，從而估計它的健康狀態(tài)以及仍可安全運行的時間,，必然產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益,，并提高電網(wǎng)的安全運行。因此研究IGBT功率模塊在熱應力不斷沖擊過程中熱阻的老化規(guī)律,，并以此為依據(jù)對模塊的健康狀態(tài)進行評估,，預測模塊的剩余壽命具有十分重要的科學意義,。

1 IGBT熱疲勞形式分析

    IGBT器件的熱疲勞現(xiàn)象通常分為兩種形式，一種是功率循環(huán)模式,，另一種是溫度循環(huán)模式,。功率循環(huán)加速老化方法通電時間短，冷卻時間長,，殼溫T_c在一個溫度沖擊循環(huán)過程中的變化較小,，而IGBT芯片的溫度(T_j)波動劇烈，該方法主要用于模擬鍵合線老化失效^[3],。溫度循環(huán)加速老化方法一次循環(huán)時間較長,，較長的循環(huán)時間不僅使結溫波動量ΔT_j較大，同時也使得殼溫T_c的變化幅值差ΔT_c較大,，該方法能同時模擬鋁鍵合線和焊料層的老化失效^[4],。

    IGBT模塊內部材料結構的退化必然導致外部電熱參數(shù)出現(xiàn)一定變化，變化較為明顯的是模塊導通飽和壓降和熱阻,。由于飽和壓降測量較容易,，多數(shù)文獻研究飽和壓降的退化規(guī)律^[5-7]，本文則利用定制的IGBT老化實驗平臺和熱阻測試系統(tǒng)研究溫度循環(huán)下IGBT熱阻的退化規(guī)律,。

2 實驗原理和實驗平臺

2.1 試驗方案

    正常工作情況下IGBT模塊的壽命約為10年，在正常工作下研究其退化規(guī)律花費時間過長,，因此考慮加速老化實驗,。如圖1所示為加速老化實驗的電路原理圖，圖中DUT為試驗器件,；PWR為程控試驗電源(5 V,，300 A)；V_G為G腳程控電壓(0～15 V),；R_G為G腳串聯(lián)電阻(10 Ω/2 W),；RIS為電流互感器(0～300 A)。

    具體實驗過程如下：首先對全新的IGBT器件進行測試,，用IGBT熱阻測試平臺測量IGBT器件溫度系數(shù),、飽和壓降及集電極電流，計算出熱阻,。然后對IGBT模塊進行溫度循環(huán)老化實驗,殼溫由40 ℃升溫到90 ℃,，再由90 ℃降溫至40 ℃，此為一個溫度循環(huán),，每循環(huán)1 000次后,，再采用熱阻測試系統(tǒng)測量IGBT器件溫度系數(shù)、飽和壓降及集電極電流,，計算出熱阻,。重復以上步驟，直到模塊老化失效，實驗停止,。

2.2 熱阻測試平臺

2.2.1 熱阻測量的原理

    以結殼熱阻為例,，穩(wěn)態(tài)熱阻的定義式為：

式中，T_j為模塊的結溫,，T_c為模塊的殼溫(銅底板溫度),，P_loss為模塊的平均功率損耗。

    殼溫可以通過在器件底部放置溫度傳感器獲得,，功率損耗可以通過測量導通飽和電壓和集電極電流計算得到,。但結溫是器件內部芯片上的最高結溫，不易直接測量,，因此采用熱敏參數(shù)法獲得器件的結溫,。小電流下半導體PN結電壓隨溫度變化具有非常好的線性，用半導體器件結電壓作為溫敏參數(shù),，測量其工作條件下的變化,，可以達到測量溫升及熱阻的目的。采用小電流下的IGBT集電極-發(fā)射極電壓作為熱敏參數(shù)的測量電路圖如圖2所示,。

2.2.2 試驗布驟

    試驗分兩步進行：

    (1)將IGBT模塊置于控溫箱中,，同時將控溫箱溫度設置為T₁，通入測量電流I_M,，測量此時的集射極電壓V_CE1,；再將溫度設置為溫度值T₂，測量溫度T₂時的集射極電壓V_CE2得到模塊的溫度系數(shù)：

    (2)將測試模塊從控溫箱中取出并固定在散熱器上,，測量此時模塊的殼溫T_c1,，通入測量電流I_M來測試此時模塊的集射極電壓V_CE3。接著,，對測試模塊通以加熱大電流I_C,，當模塊達到熱平衡后測定此時的殼溫T_C2以及集射極電壓V_CE4。最后,，斷開開關K,，切斷加熱大電流并閉合K₁通以小測試電流I_M，在極短時間內測量此時的集射極電壓V_CE5,。通過上述相關測量可以獲取通以加熱大電流后達到平衡時模塊溫度T_j的公式：

2.3 加速老化試驗平臺

    加速老化實驗系統(tǒng)采用上位機控制方式,。系統(tǒng)配置十個相對獨立的老化實驗區(qū)，每個老化實驗區(qū)由加熱電路(提供0~300 A直流電流),、驅動電路(提供0~20 V的驅動電壓)和冷卻系統(tǒng)(風機和散熱器)組成(如圖3所示),。其中①安裝平臺: 用于試驗器件的固定與散熱(中間帶有溫度探頭);②風機：用于試驗器件(包含散熱器)的輔助風冷散熱;③④：電源功率輸出的正端和負端(提供加熱電流)；⑤⑥：驅動電源的正負極(為IGBT提供驅動電壓),。上位機可以實時顯示每個實驗區(qū)域的狀態(tài),、循環(huán)次數(shù),、采樣數(shù)、運行時間,、每個循環(huán)的導通時間和斷開時間,、V_cesat、導通電流,、殼溫等,。

3 實驗結果分析

3.1 多項式模型理論分析

3.1.1 多項式模型擬合次數(shù)選擇

    多項式擬合次數(shù)越高對已有點的描述越貼切，但如果擬合次數(shù)過高的話又會削弱數(shù)據(jù)的趨勢性,，因此需要選定最佳的擬合次數(shù),。

    設有n個成對的點x，y=(x₁,，y₁),、(x₂，y₂),、(x₃,，y₃)…(x_n，y_n)

    對這n個點進行多項式擬合,，下標代表擬合多項式次數(shù)

3.1.2 多項式模型回歸分析

    模型建立后需要對模型進行可信度檢驗,，本文用方差分析檢驗多元回歸模型的統(tǒng)計可信度。方差分析將因變量的變異分解成組內部分和組間部分,，然后比較組間部分和組內部分的相對大小,，據(jù)此來判斷基于樣本數(shù)據(jù)得到的回歸模型是否真實反映總體的變化規(guī)律。具體公式如下：

    其中：SST為殘差平方和,，SST為總平方和，SSR為回歸平方和,，R²為判定系數(shù)

    R²(0~1)反映趨勢線的估計值與對應的實際數(shù)據(jù)之間的擬合程度,，越接近1則說明趨勢線的可靠程度就越高。

3.2 實例分析

    實驗中,，首先將全新的IGBT模塊放在調溫調濕箱中做小電流測試實驗,，測量I_M分別為10 mA、30 mA,、50 mA,、100 mA時，IGBT模塊在不同結溫下的飽和壓降U_(sat)ce,。結溫由恒溫箱控制,，使恒溫箱在某一溫度下保持足夠長的時間，此時IGBT結溫等于環(huán)境溫度,，且測試電流足夠小,，模塊在測量過程中不自熱,，認為結溫始終等于恒溫箱設定溫度。使恒溫箱的溫度從-20 ℃～100 ℃變化,，每隔10 ℃測量一次,。實驗結果如圖4所示，可以看出IGBT飽和壓降隨結溫基本成線性關系,，其中測試電流為100 mA時線性度最好,，因此選擇100 mA作為測量溫度系數(shù)的測試電流。

    對100 mA下的測量結果進行線性擬合,，擬合結果如圖5所示,，得到溫度系數(shù)α=2.130 8，通過式(4)可以得到IGBT的初始熱阻為0.15 ℃/W,。將IGBT模塊放入老化設備中,，每經(jīng)過1 000次溫度循環(huán)，測量模塊在100 mA下的溫度系數(shù),，并計算得到的熱阻,，直到器件失效為止。圖6為溫度循環(huán)下IGBT熱阻及其偏移量的波形,。

    由圖可知,，隨著熱應力的不斷沖擊，IGBT的性能發(fā)生了一定程度的退化,，熱阻隨著溫度循環(huán)次數(shù)的增多不斷增大,。

    通過對數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)熱阻增量符合多項式模型，對熱阻增量進行不同次數(shù)的多項式擬合,，并用上述擬合次數(shù)選擇標準進行判斷,，發(fā)現(xiàn)熱阻退化量最佳擬合模型為四次多項式模型（擬合曲線如圖7所示）。

    R_thp=0.349 7+0.001 1x+7×10^-7x²-1×10^-10x³+6×10^-15x⁴

    式中：x為溫度循環(huán)次數(shù),，R_thp為熱阻退化量,。

    對擬合模型進行方差分析，得到擬合系數(shù)R²=0.995 7,，非常接近1,，說明擬合程度很好，IGBT熱阻在溫度循環(huán)下的退化模型符合四次多項式模型,。

4 結論

    隨著溫度沖擊的不斷增加,，模塊焊料層出現(xiàn)疲勞損傷，外部特征表現(xiàn)為器件熱阻不斷增大,。對測得IGBT熱阻的退化數(shù)據(jù)進行分析,，發(fā)現(xiàn)退化數(shù)據(jù)符合多項式模型。在給定最佳模型判定條件下,，對實驗結果進行曲線擬合發(fā)現(xiàn)本次實驗IGBT熱阻退化規(guī)律最佳擬合模型為四次為多項式模型,。

參考文獻

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